近邻双孔隧道围岩联合压力拱试验与数值分析

晏 莉，吕超慧，喻少华，文 胜，杨海涛

（1.长沙理工大学 土木工程学院，长沙 410114；2.中国交通建设股份有限公司总承包经营分公司，北京 100088）

对于双线隧道而言，受地形条件和路线制约，隧道间距往往很小，由于两隧道施工的相互影响，增大了隧道开挖对围岩的扰动和施工风险.压力拱是隧道开挖后，内部围岩因抵抗开挖导致的不均匀变形，通过应力重分布等自我调整的方式在隧道周围形成一种类似拱结构的围岩保护圈现象［1-3］.压力拱可以使荷载传递路线发生偏移，是围岩自稳能力的表现［4-6］.

国内外学者对隧道围岩压力拱进行了许多研究，从成拱机理、拱体范围到动态演变机制都进行了深入分析，但对双线甚至多线隧道围岩压力拱相关研究较少，主要进展为：夏才初等［7］通过对现场监测数据分析发现，双孔隧道开挖会加剧对围岩的扰动，不利于压力拱形成.刘继国等［8］考虑到中夹岩柱的加固，认为加固后其承载力变高，可有效减小压力拱形成范围，只形成单侧洞压力拱；中夹岩层加固不合理时，左右洞室最终会形成一个大压力拱.汪成兵［9］基于离散元软件对双孔隧道开挖进行模拟，得出隧道净距不同，围岩的破坏模式不同的结论.王帅等［10］利用地表沉降的宏观表现对双孔隧道的远近间距进行界定分析，认为远距离双孔隧道不能形成一个整体的压力拱；当地表沉降曲线呈W 型或V 型时，双孔隧道上方能够形成完整的压力拱，沉降曲线的形态由下方压力拱的形态所决定.秦乐尧等［11］结合巷道覆岩活动的压力拱理论，提出了近距离巷道群覆岩活动的“扩大压力拱”理论；当巷道间距与跨度之比过小时，巷道会发生失稳破坏并将上部荷载向临近煤柱转移，当破坏连续时，整个近距离巷道群会发生连锁破坏形成扩大压力拱现象.李奎［12］基于数值模拟分析得到浅埋双孔隧道上覆围岩中仅存在拱形梁结构；对于深埋双孔隧道而言，上覆围岩内可同时存在压力拱和拱形梁结构，拱形梁结构分布在压力拱上方；在隧道间距减小的过程中，先出现拱形梁结构，隧道间距进一步减小时，压力拱才会形成.李然［13］利用数值模拟手段，得到了深埋三孔小净距隧道压力拱的渐进性演化规律，三孔隧道不仅各自独立成拱，还因互相扰动出现独立拱交错现象，甚至进一步形成联合压力拱.

通过上述研究可知，学者们认为由于双孔平行隧道之间间距不同，在施工过程中也会反映出不同的变形和失稳特征.当双孔隧道距离很近时，在隧道上方会形成一个大跨度的联合压力拱，但是对联合压力拱的成拱机理、具体形态及其受各种因素的影响变化特征认识还不够深入，仍有待研究.目前对隧道围岩联合压力拱的研究主要借助数值模拟手段，不能很好地反映出隧道变形破坏的全过程；而单一的模型试验甚少能对双线隧道围岩联合压力拱的形成及动态变化进行系统地研究.故本文采用模型试验与离散元模拟的方法，研究近邻双孔隧道围岩联合压力拱效应，分析了隧道间距、隧道埋深等因素对联合压力拱变化的影响，并对围岩变形破坏过程中围岩应力及地表位移的变化规律进行分析，以期为近邻双孔隧道的支护设计及施工提供借鉴.

1 模型试验

1.1 试验条件

为了了解双孔并行隧道近距离施工产生的联合压力拱效应，先进行室内缩尺模型试验.考虑IV 级围岩条件，参照文献［14］对围岩的物理力学指标进行取值，再将其按相似比进行换算后可得模型试验相似材料的物理力学参数.试验采用的几何相似比为50，容重相似比为1.根据相似理论，泊松比、应变、内摩擦角相似比为1，位移、应力、黏聚力、弹性模量相似比为50.

经反复对比试验，选用清洁河砂、重晶石粉和洗洁精配比为80∶25∶7 的混合物作为围岩相似材料.模型及原型的物理力学参数如表1 所示.

表1 Ⅳ级围岩模型与原型物理力学参数Tab.1 Physical and mechanical parameters of class Ⅳsurrounding rock model and prototype

试验设计并制作了双孔隧道开挖模型箱.为方便观察，模型箱整身采用材料为3.0 cm 厚的透明有机玻璃拼接而成.模型箱整体尺寸为长×宽×高=126 cm×46 cm×106 cm.考虑隧道为圆形断面，参考大部分盾构隧道直径为6 m，根据几何相似比取圆形断面的直径为12 cm.

试验过程中，将搅拌均匀的相似材料按照落雨法分层填入模型箱内，并用砝码压实，装料期间通过控制加入模型箱中相似材料的质量来确定相似材料的重度.隧道开挖采用洛阳铲和土工刀等工具配合开挖，开挖过程采用先贯穿后扩挖的方式，先利用洛阳铲开挖至隧道贯穿，然后采用土工刀对隧道进行修整至开挖完成.为与现实情况相符，双洞开挖时采取先后开挖的方式，试验首先进行左洞的开挖，待左洞围岩塌方或塌落拱不再继续发展时，开挖右洞，继续观测.试验的主要监测内容为隧道开挖围岩内部应力变化情况、地表沉降情况以及围岩变形破坏过程.应力量测采用量程为50 kPa 的微型土压力盒，位移量测采用钢尺和游标卡尺记录.围岩应力测点和地表沉降测点布置（以D/R=0.75 工况为例，D表示隧道间距，R表示隧道直径）如图1 所示，图1 中T1～T5 为竖直应力测点，T6～T20 为水平应力测点，①～⑨为地表沉降测点.试验过程中隧道围岩的变形破坏过程采用高清摄像机和照相机观测记录.

图1 测点布置图Fig.1 Arrangement of measuring points

1.2 试验结果及分析

文献［9］通过研究发现，当双孔隧道的埋深H＞20 m 时，隧道能够形成围岩联合压力拱.根据控制单因素变量法，本试验考虑不同间径比以及不同埋深共8 种工况，具体试验各工况的基本条件见表2.

表2 模型试验工况Tab.2 Model test conditions

1.2.1 围岩塌方模式

当双孔隧道埋深一定时，采用不同的间径比，隧道开挖后会呈现不同的塌方模式.通过对8 种工况进行开挖模拟可知：工况1～工况3 双孔隧道开挖后最终会形成联合塌落拱，联合塌落拱最终高度取塌落拱最顶端至隧道顶部的垂直距离，该3 种工况下双孔隧道形成联合塌落拱情况如图2（a）～（c）所示；工况4～工况6 双孔隧道开挖后最终会形成塌穿型塌方，以工况4 为例，如图2（d）所示；工况7～工况8 试验结果如图2（e）与图2（f）所示.试验结果的差异性主要归结于间径比与埋深，当间径比较小D/R＜1.0 时，两隧道围岩上方会形成联合压力拱，隧道围岩可充分发挥自承载能力保证其稳定性；间径比稍大D/R＞1.0 时，隧道产生的压力拱范围会随塌落拱的增加而增大，当压力拱拱体厚度达到极限而塌方仍未稳定，此时将形成塌穿型塌方［5］；间径比更大D/R＞2.0 时，此时隧道间相互影响很小可按照单洞隧道考虑［15］.

图2 各工况最终破坏形态Fig.2 Final failure mode of each working condition

1.2.2 围岩变形破坏过程

为进一步研究双孔隧道开挖围岩联合压力拱产生的机理，针对工况3 下围岩位移与应力变化情况进行研究.

双孔隧道先后开挖，围岩破坏过程如图3 所示.由图3 可知，左洞开挖后，隧道拱顶处围岩变形较为明显，隧道顶部向下发生局部塌落，进而导致上方围岩松动，塌落的范围逐渐变大，上方松动围岩呈小块掉落并最终形成稳定的塌落拱.右洞开挖后，也出现类似的围岩渐进性破坏过程，且左洞在右洞开挖及破坏的过程中，拱顶掉块持续进行.当左右洞围岩塌方高度接近后，会共同发生变形破坏，塌方区域转移至两隧道中隔岩体拱腰至各自拱顶处，中隔岩体厚度随着塌方发展逐渐变薄，并在两隧道中心对称轴处水平位置最先横向贯穿破坏，随后隧道上方围岩坍塌形成联合塌落拱，坍塌过程在一瞬间完成.联合塌落拱形成后，围岩继续变形破坏，在联合塌落拱拱顶右上区域出现贯穿裂缝并呈块状塌方，联合塌落拱塌方高度逐渐增加，塌方过程持续一段时间后围岩逐渐趋于稳定，联合塌落拱最终高度取塌落拱最顶端至隧道顶部的垂直距离为13.8 cm.因此，隧道开挖后应及时施作支护，防止围岩的渐进性变形导致隧道周围松动区的连通带来的大面积破坏.

图3 工况3 隧道开挖围岩破坏过程Fig.3 Condition 3:failure process of surrounding rock during tunnel excavation

1.2.3 围岩应力变化规律

通过试验中埋设的土压力盒，得到工况3 隧道开挖后围岩中各测点的应力变化如图4 所示.采用数据采集仪和电脑记录开挖过程中土压力盒的变化情况，试验数据的采集频率为5 s.取左洞开挖至双孔隧道形成联合塌落拱直至稳定期间的数据进行分析.图4 中虚线A 表示左洞开挖完成，虚线B 表示右洞开挖完成，虚线C 表示联合塌落拱形成.

由图4 可知：左右洞分别开挖后，拱腰处T5、T6测点及拱顶处T12、T16～T18 测点在整个围岩变形破坏过程中均为负值受拉，说明围岩发生应力重分布后形成松动圈，松动圈范围内的测点应力均减小.左洞拱腰其他测点竖向应力均增大，是由于该范围形成塑性破坏圈，围岩自身承受荷载增大，荷载传递路线发生变化，对应水平应力会些许减小.同样，处于塑性破坏圈内的T6 测点水平应力负值增大，T7测点水平应力减小，而右洞拱腰稍远处的T8～T10测点水平应力增大，是因为处于塑性破坏圈外，且测点越近，应力调整越快，变化幅度越大.

图4 围岩应力变化图Fig.4 Stress variation diagram of surrounding rock

围岩形成联合塌落拱后，拱腰处测点竖向应力及水平应力均减小，T6、T7 测点负值增大.拱顶处T16 测点水平应力负值减小，稍远处的T14、T20 测点水平应力急剧增大，其他测点均减小.可以看出压力拱在此阶段明显向上发展.联合塌落拱稳定后，隧道附近应力再次调整，右洞拱腰及对称轴上水平应力进一步减小后保持稳定，左洞拱顶T14、T15测点水平应力增加，其他测点保持不变.

通过上述分析可知，拱顶水平应力变化情况随围岩渐进性破坏向围岩内部移动的现象较为明显，隧道渐进性破坏时，当测点在塌方影响范围内时，测点水平应力急剧减小，而塌方影响范围外测点水平应力增大.当围岩破坏范围持续向上发展时，之前不在塌方范围内的测点则会出现在塌方影响范围内，其水平应力会急剧减小，说明在围岩渐进性塌方破坏过程中，双洞联合压力拱也会渐进性地向上发展.

1.2.4 地表沉降分析

以工况1～工况3 为例，试验得到的地表最大沉降值与间径比关系图见图5（a）.可知在相同围岩及埋深条件下，近邻双孔隧道开挖导致的地表沉降值随间径比的增大而增大，说明虽然双洞距离近，施工相互扰动大，但联合压力拱的形成有利于减少地表产生的沉降值.

图5（b）为工况2、工况7 及工况8 的地表最终沉降图.由图5 可知，隧道开挖完成后，双孔隧道中心对称轴处地表沉降值最大，且随埋深的增加地表最大沉降值也相应增大.双孔隧道的最小净距随隧道埋深的增大成非线性增大趋势［16］，因此当双孔隧道间径比一定时，埋深的增加会加大双孔隧道之间的扰动.

图5 地表沉降图Fig.5 Surface settlement diagram

2 离散元模拟

为了进一步研究近邻双孔隧道开挖联合压力拱的特性，继续采用离散元方法进行模拟计算.

2.1 计算模型的建立

模型尺寸与室内模型试验大小一致，为126 cm×106 cm.PFC2D 软件通过设置颗粒的细观参数来反映材料的宏观力学特性，计算采用平行黏结模型.试样模拟计算结果以模型材料的物理力学参数为依据，通过反复调整，最终确定的模型基本参数及计算结果见表3.待模型平衡后，对指定隧道范围内的颗粒进行删除，来达到隧道开挖过程的模拟.

表3 模型的基本参数及计算结果Tab.3 Parameters of model and calculated results

2.2 颗粒流模拟结果分析

由模型试验结果可知，当隧道间距D小于1.0R时，双孔隧道开挖后最终会形成联合塌落拱.各工况围岩破坏过程类似，以工况3 颗粒流模拟结果为例，颗粒流模拟围岩破坏过程如图6 所示，图6 中，t为模型计算时步.

图6 颗粒流模拟围岩破坏过程及素描图Fig.6 Particle flow simulation of surrounding rock failure process and sketch

由图6 可知，隧道塌方破坏从拱顶开始，拱顶围岩在变形后出现裂缝，随后裂缝下岩体向下塌方，当塌方发展到一定程度时，双孔隧道上方围岩会形成稳定的塌落拱.当拱顶区域塌方趋于稳定时，围岩破坏区域从拱顶向拱腰处转移，两隧道拱腰处围岩塌落，同时中隔岩体的厚度逐渐变薄并在水平位置贯穿连通，中隔岩体破坏后，双孔隧道上方围岩整体垮塌形成联合塌落拱.稳定后的最终状态素描图如图6（h）所示，隧道塌落拱形状为拱形，高度为13.6 cm，与室内模型试验得到的塌落拱高度13.8 cm 较为一致.

将各工况下颗粒流模拟得到的联合塌落拱高度与其对应工况下模型试验联合塌落拱高度进行对比，如表4 所示.由表4 可知，模型试验与数值模拟结果相近并表现出一致的规律，即在形成联合塌落拱的工况下，隧道间距增大，联合塌落拱的高度增大；隧道埋深增大，联合塌落拱高度也会增大.颗粒流模拟的围岩破坏过程与室内模型试验围岩破坏过程高度相似，在一定程度上验证了试验结果的可靠性.

表4 模型试验与颗粒流模拟联合塌落拱高度Tab.4 Collapsed arch height combined with model test and particle flow simulation

3 结论

1）隧道开挖后，双孔隧道间距较大时（D/R=1.0～2.0），由于双孔隧道的开挖加大了对围岩的扰动，围岩不能稳定，最终形成塌穿型破坏.隧道间距较小时（D/R＜1.0），左右洞先后开挖，围岩在自重情况下发生渐进性破坏.当左右洞围岩塌方高度接近后，共同发生变形破坏，塌方区域自两隧道中隔岩体拱腰转移至各自拱顶处，中隔岩体随塌方发展逐渐变薄，随后围岩完全坍塌形成联合塌落拱.

2）在围岩渐进性塌方破坏的过程中，压力拱也渐进性地向上发展.隧道渐进性破坏时，在塌方影响范围内的拱顶水平应力急剧减小，而塌方影响范围外拱顶水平应力增大.当围岩继续破坏时，塌方范围向上发展，之前不在塌范围内此时属于其影响范围内的拱顶水平应力会急剧减小.

3）在形成联合塌落拱的工况下，隧道间距增大，联合塌落拱的高度增大；隧道埋深增大，联合塌落拱高度也会增大.